非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用有哪些

目前我國工業(yè)能耗約占總能耗的70%，其中電機(jī)能耗約占工業(yè)能耗的60%~70%。根據(jù)調(diào)查，我國IEI等級的電機(jī)市場占率接近90%的市場份額，而企業(yè)達(dá)到IE2以上的高效節(jié)能電機(jī)比例只有8%。目前我國電動機(jī)的裝機(jī)容量在12億千瓦左右，預(yù)計到2020年，我國電動機(jī)的裝機(jī)容量將達(dá)到45億千瓦左右，新增的30多億千瓦電機(jī)將為高效電機(jī)帶來巨大的市場空間。

理論上用非晶材料做成定子鐵心的非晶電機(jī)運行效率可達(dá)95%以上，最高可達(dá)98%。特別是在一些中高頻的應(yīng)用場合，傳統(tǒng)硅鋼片電機(jī)效率很低，而非晶電機(jī)的運行效率也在90%以上，所蘊含的節(jié)能潛力非常可觀，這就為非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用提供了廣闊的舞臺。

高效永磁同步電機(jī)已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，因為具有高效率、高精度的控制性等特點，從自動化的運輸操作系統(tǒng)到電動汽車的動力系統(tǒng)設(shè)計都得到了廣泛的應(yīng)用。然而許多領(lǐng)域-如電動汽車用永磁電機(jī)需要設(shè)計成扁平結(jié)構(gòu)，這樣盤式永磁電機(jī)必須設(shè)計成多級，電機(jī)調(diào)速范圍需要達(dá)到2000~6000r/min，由此導(dǎo)致電機(jī)的高順率，會造成鐵磁材料的損耗的急劇增加，使得電機(jī)效率降低，給冷卻系統(tǒng)的設(shè)計帶來很大的難度。而用非晶材料制作的盤式永磁電機(jī)，則可以很大程度上減少電機(jī)的高頻鐵耗，提高電機(jī)效率，優(yōu)化冷卻系統(tǒng)設(shè)計，非晶材料的應(yīng)用較好的解決了永磁電機(jī)在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用的瓶頸問題。

2 非晶材料簡介

2.1 非晶材料的形成

金屬在熔化后，內(nèi)部原子處于活躍狀態(tài)。一旦金屬開始冷卻，原子就會隨著溫度的下降，而慢慢地按照一定的晶態(tài)規(guī)律有序地排列起來，形成晶體。但如果冷卻過程很快，原子還來不及重新排列就被凝固住了，就產(chǎn)生了非晶體。非晶態(tài)合金是具有非晶體原子結(jié)構(gòu)的金屬合金。制備非晶態(tài)合金采用的正是一種快速凝固的工藝。將處于熔融狀態(tài)的高溫銅水噴射到高速旋轉(zhuǎn)的冷卻輥上。鋼水以每秒百萬度的速度迅速冷卻，僅用千分之一秒的時間就將1300℃的鍋水降到200℃以下，形成非晶帶材。非晶帶材厚度一般控制在0.02～0.03mm之間，可實現(xiàn)在線卷帶。工藝過程圖1所示：

2.2 非晶材料的特點

非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金相比，在物理性能、化學(xué)性能和機(jī)械性能方面都發(fā)生了顯著的變化。以鐵元素為主的非晶態(tài)合金為例，它具有高飽和磁感應(yīng)強度和低損耗的特點。但非晶合金材料也有不可忽視的缺點；硬度過高且極其脆，不容易加工和切割；厚度僅為0.03mm，填充系數(shù)低；對機(jī)械應(yīng)力也非常敏感，從而使它的應(yīng)用帶來困難。

2.3 非晶材料的應(yīng)用

因為非晶材料這樣一系列優(yōu)良特性，國內(nèi)外均對其開展了系統(tǒng)性的理論與應(yīng)用研究，在電子、航空、航天、機(jī)械、微電子等眾多領(lǐng)域中具備了廣闊的應(yīng)用空間。目前已大量應(yīng)用于各種變壓器及電感產(chǎn)品，但在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段。也正是由于非晶材料這樣的特性，將其應(yīng)用于電機(jī)產(chǎn)品成為國內(nèi)外的一大課題。

3 非晶電機(jī)的優(yōu)點

與傳統(tǒng)材料電機(jī)相比，非晶電機(jī)具有卓越性能和優(yōu)勢。下表以DW47和Metglus2605SAl為例列出了硅鋼片與非晶材料定子鐵心的不同特性。

通過表1中的對比，很容易推斷出非晶電機(jī)的優(yōu)勢：

（1）高效節(jié)能

由于非晶合金材料的低損耗特性，使得采用該材料作為鐵心制造的電機(jī)鐵耗比傳統(tǒng)硅鋼片鐵心電機(jī)小得多。從圖2可以看出，非晶態(tài)合金材料在中高頻下的損耗只相當(dāng)于普通硅鋼片的1/8~1/10，而且頻率越高趨勢越明顯。所以非晶電機(jī)的效率比傳統(tǒng)電機(jī)要高，特別應(yīng)用于中高頻場合，電機(jī)運行效率可以高出5%以上，節(jié)能效果非常明顯。

圖 2

（2）功率密度和扭矩密度大

電機(jī)電能轉(zhuǎn)換的功率P與下列三個參數(shù)成正比：

a）磁場的磁通量；b）線圈的安匝數(shù)A；c）前兩者的感應(yīng)電磁頻率f

PαφAf

磁通量 φ= BS，其中S為磁路的有效截面積，B為設(shè)計的磁通密度。在磁路尺寸和磁路材料確定后，φ的數(shù)值就已確定。線圈的安匝數(shù)A取決于安裝線圈的實際空間和冷卻條件，也就是取決于電機(jī)的實際尺寸?？梢姡姶蓬l率f越高，相同尺寸的電機(jī)（即φA不變）具有較高的功率，換言之，相同功率、相同轉(zhuǎn)速下的電機(jī)體積和重量越小，高頻化可以使電機(jī)的功率密度或者轉(zhuǎn)矩密度提高。

4 非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用

非晶電機(jī)的研發(fā)始于上世紀(jì)90年代初，1996年美國的Light Engineering，Inc.（LE公司）成功將非晶材料應(yīng)用到電機(jī)上并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，經(jīng)過十多年的研發(fā)積累，湘電菜特電氣有限公司（以下簡稱湘電萊特）開發(fā)出系列非晶永磁同步電機(jī)及發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，在北美、歐洲及亞洲地區(qū)批量銷售，并在國內(nèi)建立第一條非晶電機(jī)生產(chǎn)流水線，成為國內(nèi)非晶材料應(yīng)用于高效電機(jī)的典范。本文將主要以湘電萊特的軸向磁場盤式電機(jī)產(chǎn)品來介紹非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用。

4.1 非晶材料在電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用的難點

1）非晶態(tài)金屬硬度高，難于加工成形。制造成C型或環(huán)形鐵心較容易，但要制造成電機(jī)使用的多槽鐵心，加工難度大；

2）受電機(jī)驅(qū)動器最高頻率的制約，非晶電機(jī)基須一般設(shè)計在500Hz以上，最高頻率甚至可達(dá)1500Hz以上，對電機(jī)驅(qū)動器來說是個嚴(yán)峻的考驗；

3）高頻電機(jī)的設(shè)計方法不能充分發(fā)揮出非晶態(tài)金屬在提高功率密度方面的潛在優(yōu)勢；4）非晶材料飽和磁化值相對普通硅鋼材料略低。

4.2 非晶電機(jī)設(shè)計

湘電萊特搭建了基于ANSOFT的盤式非晶電機(jī)研發(fā)平臺，利用軟件最新版本V15推出的軸向磁場電機(jī)3D 建模與仿真能力對盤式非晶電機(jī)進(jìn)行電磁計算和有限元分析。湘電萊特利用該平臺已經(jīng)開發(fā)了系列的非晶盤式永磁同步電機(jī)產(chǎn)品，圖3圖4為該公司電機(jī)的建模及有限元分析示意圖。

圖3 非晶盤式電機(jī)全模型 圖4 非晶盤式電機(jī)磁密

圖5是湘電萊特設(shè)計的軸向磁場盤式永磁電機(jī)典型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上充分考慮了非晶材料的加工工藝要求，鐵心采用開口槽結(jié)構(gòu)。鐵心制作相對容易。采用少槽結(jié)構(gòu)，集中繞組成型線圈，用以減小線圈端部，也減少了有效材料電阻引起的損耗。這種結(jié)構(gòu)在繞組制作及其下線中，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，以高質(zhì)量、大批量的生產(chǎn)需求。提高產(chǎn)品生產(chǎn)的機(jī)械化程度，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

這種結(jié)構(gòu)的特點：

1）軸向氣隙結(jié)構(gòu)使得電機(jī)容易實現(xiàn)多級結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)電機(jī)的高頻化；

2）定子的形狀相對簡單，成形更為容易，質(zhì)量可以得到有效保證；

3）電機(jī)繞組采用1/2分?jǐn)?shù)槽結(jié)構(gòu)，電機(jī)定子每個齒上安放一個線圈，有效的減小了線圈增部，也有效的減少了銅損；

圖5 軸向磁場盤式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu) 圖6 線圈示意圖

4）軸向磁場電機(jī)結(jié)構(gòu)給設(shè)計電機(jī)冷卻系統(tǒng)帶來方便，這也有利于設(shè)計制造出更高功率密度的電機(jī)；

5）可采取模塊組合式結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)系列化產(chǎn)品；

6）線圈可采用成型線圈，容易實現(xiàn)自動化操作；

7）適應(yīng)于大批量生產(chǎn)，可有效降低成本。

4.3 已實現(xiàn)量產(chǎn)的非晶電機(jī)介紹

1）SG24N1 48VDC充電發(fā)電機(jī)

無需在恒定速度下運行發(fā)電，充電控制專利技術(shù)，可用于鋰電池，鎳氯電池，鉛酸電池的充電等。

2）SG24L1燈塔發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)設(shè)計成四組單相，空載電壓高，能實現(xiàn)對金屬鹵素物燈的啟動，可靠性高。

3）車用增程式發(fā)電機(jī)

4）電動汽車用非晶驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)

功率范圍：25-200kW、大速度范圍內(nèi)提高效率、增加功率扭距密度、風(fēng)冷或水冷、多種工作電壓、高速工作范圍、全封閉式結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)束語

通過非晶材料在高效電機(jī)上的成功應(yīng)用，能有效的提高電機(jī)的效率，提高功率密度比，減小體積重量，從而實現(xiàn)節(jié)能減排、符合國家產(chǎn)業(yè)政策。非晶高效電機(jī)在高頻高速、航空、航天、軍工、電動汽車上有廣闊的應(yīng)用前景，非晶材料在高效電機(jī)上的應(yīng)用有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

責(zé)任編輯：彭菁